c++之使用 libdl.so 和 ＜dlfcn.h＞ 实现动态链接
静态链接与动态链接
静态链接
静态链接是指在程序编译阶段，将所有需要的库代码直接复制到最终生成的可执行文件中，形成一个整体，运行时不再依赖外部库文件。
静态链接就像是把所有用到的工具都打包进了你的应用程序里。不管用到的库有多大，最终生成的可执行文件（比如 a.out）都会把这些库内容直接塞进去。运行的时候，这个程序是“自给自足”的，不依赖外面的库文件，哪怕系统上删掉了原本的库，它也能跑。
动态链接
动态链接是指在程序运行时，按需加载外部共享库（Shared Libraries），程序本身只包含对库函数的引用，不包含库代码，运行时由操作系统动态地链接这些库。
动态链接就像是你写了个程序，但工具箱没直接塞到程序里，而是告诉程序到时候用外面的现成工具箱。程序里只是记了下：“要用 xxx 工具箱，到时候系统帮我找来”。运行时，操作系统发现你程序里要用 libm.so（数学库），就把 /usr/lib/ 里的 libm.so 给你挂上去。
动态链接的好处
-
节省磁盘空间
多个程序共享同一个库文件，不需要每个程序各拷一份。 -
节省内存
操作系统可以让多个程序共享加载到内存中的同一个库副本（比如共享只读段）。 -
便于维护和升级
修复一个库的 bug、安全漏洞，只要替换库文件，不需要修改和重新编译依赖它的所有程序。 -
支持插件和模块化设计
可以根据需要在运行时加载特定模块（比如浏览器动态加载视频插件）。 -
提升程序灵活性
程序可以根据实际情况决定加载哪个版本的库，甚至可以在运行时切换不同功能。
libdl.so 和 <dlfcn.h> 简介
libdl.so
libdl.so 是一个专门用于支持运行时动态链接（dynamic linking）的标准共享库，提供了在程序运行过程中加载、使用和卸载其他共享对象（.so文件）的接口。
libdl.so 就是一个专门管理“动态加载库”的小管家库。程序运行到一半的时候，如果需要额外功能（比如一个新的模块），就可以通过调用 libdl.so 里的功能，把外面的 .so 文件（共享库）搬进来用。简单理解，libdl.so 提供了“程序自己动手，运行时找库、开箱、拿函数用”的能力。
<dlfcn.h>
<dlfcn.h> 是一个标准头文件，定义了操作运行时共享对象（dynamic shared objects，DSO）所需的接口函数、数据类型和错误处理机制。
<dlfcn.h> 就是声明了那些能让你“打开.so文件、找符号、关闭库”的函数的地方。如果你想在程序里动态加载库，就必须先 #include <dlfcn.h>，否则编译器不知道你在说什么。
二者关系
libdl.so 是真正实现动态链接功能的共享库（里面是编译好的二进制代码）。
<dlfcn.h> 是提供 libdl.so 功能对应函数声明的头文件（让编译器知道你要调用哪些函数）。
一个是实打实干活的工具箱（libdl.so），
一个是告诉程序怎么用这个工具箱的说明书（dlfcn.h）。
<dlfcn.h> 提供的常用API
前置概念
共享库：是将某些功能或模块封装成一个独立的文件（.so 文件/.ddl文件）并供多个程序同时使用的技术。在 Linux 系统中，扩展名通常为 .so，在 Windows 系统中则为 .dll。比如在linux中自己实现了mymath.h、mymath.cpp，通过gcc/g++将其编译成了一个libmymath.so文件，这个文件就叫共享库。
共享库的符号：指共享库中的变量、函数、类等可提供外部程序使用的标识符，如mymath.h中实现的add(int x, int y)就称为共享库的符号
dlopen()
打开一个动态链接库文件并返回一个句柄，该句柄用于后续的操作， 如查找符号、关闭库等。
void* dlopen(const char* filename, int flag);参数：
filename：
- 1.指定动态库文件的路径，如果传入NULL表示打开的是调用进程的主程序(可以直接用来查找主程序中的符号：比如说我是在a.cpp文件中调用到dlopen并传入一个NULL，那得到的这个句柄中可以得到a.cpp中的符号)。
- 2.可以是相对路径或绝对路径。3.如果路径中不包含/，动态链接器会根据LD_LIBRARY_PATH环境变量搜索库文件。
flag：指定加载动态库的方式，可以通过|组合使用
返回值：
成功调用返回动态库的句柄，失败返回NULL，可通过dlerror获取错误信息
示例：
比如我们已经实现了mymath.h/.cpp并编译出一个Libmymath.so文件
void* handle = dlopen("./libmymath.so", RTLD_LAZY);
if (!handle) {std::cerr << "Failed to open library: " << dlerror() << std::endl;
}dlsym()
在打开的动态库中查找指定的符号（函数、变量），并返回符号的地址。
void* dlsym(void* handle, const char* symbol);参数：
handle：动态库的句柄，由dlopen返回。如果传入宏RTLD_DEFAULT，表示在全局符号表中查找符号。如果传入宏RTLD_NEXT，表示从当前共享库之后加载（如果我使用dlopen libb.so得到的句柄handleB去调用dlsym时，并且在dlopen libb.so之前，我dlopen了liba.so，在dlopen libb.so之后，我dlopen了libc.so，那么如果给handleB传一个RTLD_NEXT时，会在libc.so中去查找）。
symbol：要查找的符号名称(通常是函数名或变量名)，大小写敏感
返回值：
成功调用返回符号的地址，调用失败返回NULL,可通过dlerror获取错误信息
示例：
假如mymath.h中有个方法叫add
typedef int (*AddFunc)(int, int); // 定义函数指针类型// 查找符号 add
AddFunc add = (AddFunc)dlsym(handle, "add");
const char* dlsym_error = dlerror();
if (dlsym_error) {std::cerr << "Cannot load symbol 'add': " << dlsym_error << std::endl;dlclose(handle);
}dlclose()
关闭先前打开的动态链接库。
int dlclose(void* handle);参数：
handle：动态库的句柄，由dlopen返回
返回值
失败返回非0值。
如果关闭一个库时还有其他库正在使用该库的符号，库不会立即卸载，而是等待符号的引用计数降为0时卸载。在dlopen时使用RTLD_NODELETE宏时，调用dlclose后不会真正卸载。
dlerror()
返回最近一次动态链接库操作的错误信息。
const char* dlerror();返回值：
成功返回NULL表示无错误，失败返错误信息的字符串。
每次调用dlerror都会清楚之前的错误状态。
<dlfcn.h>使用示例
使用动态库加载一个日志模块
logger.h/logger.cpp的实现
// logger.h
#pragma once
#include <string>extern "C" { //用了 extern "C"，防止 C++ 函数名被编译器改名（名字修饰/mangling），这样 dlsym 能直接找字符串 "initLogger" 等。// 初始化日志系统
void initLogger(const char* filename);// 写一条 info 级别的日志
void logInfo(const char* message);// 关闭日志系统
void closeLogger();}// logger.cpp
#include "logger.h"
#include <fstream>static std::ofstream logFile;void initLogger(const char* filename) {logFile.open(filename, std::ios::app);if (logFile.is_open()) {logFile << "[Logger] Initialized.\n";}
}void logInfo(const char* message) {if (logFile.is_open()) {logFile << "[INFO]: " << message << "\n";}
}void closeLogger() {if (logFile.is_open()) {logFile << "[Logger] Closed.\n";logFile.close();}
}
编译成共享库liblogger.so
g++ -fPIC -shared -o liblogger.so logger.cpp
main
#include <iostream>
#include <dlfcn.h> // 引入动态链接相关APItypedef void (*InitLoggerFunc)(const char*);
typedef void (*LogInfoFunc)(const char*);
typedef void (*CloseLoggerFunc)();int main() {// 打开动态库void* handle = dlopen("./liblogger.so", RTLD_LAZY);if (!handle) {std::cerr << "Error opening library: " << dlerror() << std::endl;return 1;}// 清除之前的错误dlerror();// 查找 initLoggerInitLoggerFunc initLogger = (InitLoggerFunc)dlsym(handle, "initLogger");const char* error1 = dlerror();if (error1) {std::cerr << "Error loading symbol 'initLogger': " << error1 << std::endl;dlclose(handle);return 1;}// 查找 logInfoLogInfoFunc logInfo = (LogInfoFunc)dlsym(handle, "logInfo");const char* error2 = dlerror();if (error2) {std::cerr << "Error loading symbol 'logInfo': " << error2 << std::endl;dlclose(handle);return 1;}// 查找 closeLoggerCloseLoggerFunc closeLogger = (CloseLoggerFunc)dlsym(handle, "closeLogger");const char* error3 = dlerror();if (error3) {std::cerr << "Error loading symbol 'closeLogger': " << error3 << std::endl;dlclose(handle);return 1;}// 使用动态库的功能initLogger("app.log");logInfo("Program started.");logInfo("Doing something important...");closeLogger();// 关闭动态库dlclose(handle);return 0;
}
dlfcn.h中的常用宏
RTLD_LAZY、RTLD_NOW：
是dlopen的可选参数，分别表示懒加载和立即加载动态链接库中的符号。
RTLD_GLOBAL、RTLD_LOCAL：
是dlopen的可选参数分别表示符号的全局可见性和局部可见性。
这些函数和宏可以用于在运行时加载和卸载动态链接库，动态链接库的使用使得程序可以在运行时动态的加载和调用函数，从而使得程序的可扩展性更强。
RTLD_LAZY：懒加载
当使用懒加载打开一个共享库(如.so文件)时，动态连接器会采用一种懒加载的方式，即只在你第一次实际使用某个函数或变量时(通过dlsym得到的符号被实际使用时)才去解析他(解析时只会解析该符号并与之相关的符号，其他符号不参与解析)。而不是在一开始就解析动态库中的所有符号(函数或变量)。就像一本字典，只有当你查某个单词时才去翻找某个单次，而不是一开始就把正本字典读一遍。
- 优点：启动更快、更节省资源
- 缺点：潜在问题暴露的更晚(只有等到用到这些符号是才会报错)
-
void* handle = dlopen("./liblazytest.so", RTLD_LAZY);
RTLD_NOW：立即加载
当使用立即加载加载一个共享库时，动态连接器会立即解析共享库中的所有符号(函数和变量)，并把它们帮绑定到程序中。他和懒加载不同，他是一种立即绑定的方式。就像一本字典，会立即查找所有单次的意思，并把它们写在笔记本上备用。在调用dlopen时，动态链接器会把共享库里所有的函数、变量都加载好，并检查他们是否有问题，如果某个符号有问题，程序会在启动时直接报错，而不是运行到那个地方才报错。
- 优点：更可靠，如果共享库有问题，可以马上发现问题
- 缺点：启动变慢，因为在启动时要解析所有符号
void* handle = dlopen("./liblazytest.so", RTLD_NOW);RTLD_GLOBAL：全局加载
当在dlopen时使用了全局加载这个宏后，加载的共享库里的符号(函数或变量)会被放到一个全局符号表里，这样后续加载的其他共享库也可以直接解析使用这些符号，而不需要重新定义或加载他们。默认情况没有使用RTLD_GLOBAL时，如果使用dlopen加载一个共享库，这个库里的符号(比如函数名)只能被当前加载的这个库本身使用，其他共享库不能直接访问它。如果使用了RTLD_GLOBAL这个共享库会被公开，放到全局符号表里。这样后面加载的其他共享库可以直接使用这些符号，就像他们是公共资源一样。
示例：
如果libB.so中某个函数间接使用了libA.so中的符号，如果我们不使用RTLD_GLOBAL的话，直接通过dlopen打开libB.so动态链接库得到句柄handleB，然后通过dlsym，在handleB中查找某个函数(这个符号包括libA.so中的符号)，虽然能正常查到这个函数，但调用这个函数时会报错，所以我们需要先通过dlopen打开libA.so并使用RTLD_GLOBAL宏，然后在使用handleB去查询该函数，此时不会报错。注意：在这种情况下，只有需要被共享的库libA.so需要在dlopen时使用RTLD_GLOBAL。
a.h b.h
a.h
#pragma once
void hello_from_A();a.cpp
#include <iostream>
#include "a.h"
void hello_from_A() {std::cout << "Hello from libA.so!" << std::endl;
}b.h
#pragma once
void call_hello_from_A();
b.cpp
#include "a.h"
#include "b.h"
void call_hello_from_A() {hello_from_A(); // 调用 libA.so 中的函数
}
编译 libA.sp libB.so
g++ -fPIC -shared a.cpp -o libA.sog++ -fPIC -shared b.cpp -o libB.so -L. -lA
main
#include <iostream>
#include <dlfcn.h>typedef void (*CallHelloFunc)();int main() {// 第一步：加载 libA.so，使用 RTLD_GLOBALvoid* handleA = dlopen("./libA.so", RTLD_LAZY | RTLD_GLOBAL);if (!handleA) {std::cerr << "Failed to open libA.so: " << dlerror() << std::endl;return -1;}std::cout << "libA.so loaded with RTLD_GLOBAL." << std::endl;// 第二步：加载 libB.sovoid* handleB = dlopen("./libB.so", RTLD_LAZY);if (!handleB) {std::cerr << "Failed to open libB.so: " << dlerror() << std::endl;return -1;}std::cout << "libB.so loaded." << std::endl;// 第三步：查找 call_hello_from_A 函数CallHelloFunc callHello = (CallHelloFunc)dlsym(handleB, "call_hello_from_A");if (!callHello) {std::cerr << "Failed to find call_hello_from_A: " << dlerror() << std::endl;return -1;}// 第四步：调用callHello();// 关闭dlclose(handleB);dlclose(handleA);return 0;
}
正常输出
libA.so loaded with RTLD_GLOBAL.
libB.so loaded.
Hello from libA.so!
但是如果不在加载 libA.so 时加 RTLD_GLOBAL（比如只写 RTLD_LAZY）
void* handleA = dlopen("./libA.so", RTLD_LAZY); // 去掉 RTLD_GLOBAL
重新编译后运行，结果会是
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dlsym 查询 call_hello_from_A 成功
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但在
callHello()调用时，程序崩溃或者出现类似下面这种错误
undefined symbol: hello_from_A
原因就是libB.so 里的 call_hello_from_A() 需要用 hello_from_A()，但是因为 libA.so 的符号没有公开到全局符号表，libB.so 找不到！
RTLD_LOCAL：本地加载/局部加载
在没有使用RTLD_GLOBAL宏时，它是默认使用的宏。它用来限制动态库的符号范围。使用RTLD_LOCAL加载的动态库，其内部的函数或变量(符号)，不会被放入全局符号表，其他动态库无法访问这些符号。当多个动态库中有同名符号是可以避免不必要的冲突或覆盖。如果动态库只需要自身使用，不希望其他库依赖他的符号时，可以使用RTLD_LOCAL.